Brīnumu vadi

Tas bija tāds atklājums, kas ķīmijā notiek tikai reizi dažās desmitgadēs, ja jums ļoti paveicas. 1985. gadā Ričards E. Smolijs un vairāki līdzstrādnieki Raisas universitātē radīja oglekli, kas vēl nekad nav pieredzēts. Oglekļa atomu izvietojums katrā molekulā atgādināja niecīgu ģeodēzisku kupolu, tāpēc pētnieki materiālu nosauca par buckminsterfullerēnu arhitekta vārdā, kurš bija popularizējis formu. Ar savu glīti strukturēto atomu tīklu bumbiņa ātri kļuva par nanotehnoloģiju plakātu molekulu. Deviņdesmito gadu sākumā pētnieki veica vēl vienu pārsteidzošu atklājumu: jūs varat arī izgatavot dobas caurules no tās pašas oglekļa struktūras. Oglekļa nanocaurulēm bija daudzkārt lielāka tērauda stiprība, vara elektrovadītspēja un DNS molekulas diametrs. Īsāk sakot, tie bija ideāli materiāli nanopasaules veidošanai un savienošanai.

Vairāk nekā desmit gadus pēc sākotnējā atklājuma Smalley entuziasms par jaunajiem materiāliem neliecina par mazināšanās pazīmēm. Pagājušajā gadā viņš līdzdibināja uzņēmumu Carbon Nanotechnologies, lai ražotu nanocaurules komerciālos daudzumos, kas ļaus citām laboratorijām virzīt tehnoloģiju uz priekšu un izstrādāt lietojumprogrammas. Bet viņa nemitīgais satraukums par fullerēniem (kā ir zināma šo oglekļa molekulu vispārējā kategorija) pārsniedz nākotnes tehnoloģiskās izmantošanas prognozes. Smallijs, kurš kopš 1976. gada ir Raisa ķīmijas profesors, ir apmācīts par spektroskopiju, aizraujas ar pašām molekulām. Pieņemot 1996. gada Nobela prēmiju ķīmijā par fullerēnu izpēti, Smolijs šo atklājumu nosauca par vienu no garīgākajām pieredzēm, kādu jebkad ir pieredzējis ikviens no mums sākotnējā [pētnieku] komandā.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2001. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

33 miljonu ASV dolāru Nanomēroga zinātnes un tehnoloģiju centrs, kuru Smalley izveidoja 1995. gadā un tagad vada, atrodas Rīsas universitātes pilsētiņas malā Hjūstonā kā liecība par fullerēnu potenciālu. Pētniecības grupu skaits nanotehnoloģiju centrā pieaug tik strauji, ka paša Smalley laboratorija ir pārcēlusies blakus Raisa Kosmosa zinātnes centra trešajā stāvā. Technology Review redaktora vietnieks Deivids Rotmans nesen apmeklēja Smalley, lai jautātu par nanotehnoloģiju nākotni un uzzinātu, kāpēc Nobela prēmijas laureāts domā, ka nanocaurules ir tik īpašas.

TR: Kā palielinātā uzmanība un finansējums, piemēram, prezidenta Klintona 495 miljonu dolāru nanotehnoloģiju iniciatīva 2001. gadam, ir ietekmējusi nanotehnoloģiju jomu?

SMALLEY: Tas, ka prezidents par to runā, ir mudinājusi zinātniekus un tehnologus savos priekšlikumos iekļaut nano. Viņi zina, kas ir jaunais modes vārds. Taču man vēl iespaidīgāks ir tas, kā šī ideja ir pieķērusies tiem, kas nodarbojas ar zinātni. Un man nav sajūta, ka tā ir mākslīga poza. Ķīmijas un fizikas pamatdisciplīnas ir sasildījušās ar šo ideju. Daļa no tā ir bijusi atbilde uz finansējumu. Bet es domāju, ka patiešām ir vispārējs novērtējums, ka šeit patiešām ir kaut kas. Ķīmija un fizika tagad ir attīstījušās tiktāl, ka jūs varat iedomāties un dažos gadījumos faktiski izveidot un eksperimentēt ar pietiekami sarežģītām [nano] struktūrām, lai notiktu kaut kas jauns.

TR: Vai pastāv briesmas, ka nanotehnoloģija, tāpat kā daudzi citi modes vārdi, sāks zaudēt savu īsto nozīmi?

SMALLEY: Man patīk vārds nanotehnoloģija. Man tas patīk, jo prefikss nano garantē, ka tā būs fundamentāla zinātne gadu desmitiem ilgi; tehnoloģija saka, ka tā ir inženierija, ar ko jūs esat iesaistīts ne tikai tāpēc, ka jūs interesē, kā daba darbojas, bet arī tāpēc, ka tā radīs kaut ko, kam ir plaša ietekme. Saliekot šīs divas lietas vienā vārdā, rodas spriedze. Tā kā mūsu disciplīnas, jo īpaši ķīmija un fizika, ir nobriedušas, mēs tagad nodarbojamies ar lietām ļoti fundamentālā līmenī, kurām ir praktiska nozīme.

TR: Kas jūs visvairāk sajūsmina, aplūkojot dažādo darbu nanotehnoloģiju jomā?

SMALLEY: Man jāatzīst, ka esmu vienkārši apsēsts ar oglekļa nanocaurulēm. Man ir grūti iztikt vairāk nekā 10 minūtes, nerunājot par viņiem. Es domāju, ka tās ir stilīgākās lietas, un es domāju, ka tām būs vislielākā iespējamā ietekme. Bet, ja es uz mirkli no tā atraušos, es uzskatu, ka pētījumi par to, ko es saucu par mitro/sauso saskarni, mani intelektuāli visvairāk intriģē. Iespējams, ka pēc 20 gadiem mēs atskatīsimies atpakaļ un teiksim, ka esam panākuši milzīgus panākumus. Tas, ko es saucu par nanotehnoloģiju mitro pusi, ir šūnu dzīvības mehānisms. Mācoties savienot šo dabisko iekārtu ar neorganiskām, elektromehāniskām struktūrām un sistēmām, kas izstrādātas nanometru mērogā (nanotehnoloģijas sausā puse), tiks atvērtas plašas jaunas robežas gan fundamentālajā zinātnē, gan praktiskajā tehnoloģijā.

To sakot, es varu atgriezties un teikt, ka nanocaurules būs ārkārtīgi svarīgas mitrā/sausā saskarnē, jo tās spēlē kaut ko jaunu. Organiskās molekulas [oglekli saturošas molekulas, kas ir dzīvo būtņu pamatā] ir lieliski daudzpusīgas, taču ir dažas lietas, ko tās nevar darīt labi. Patiesībā ir dažas lietas, ko bioloģiskās sistēmas vēl nav spējušas izdomāt pat pēc vairāk nekā četriem miljardiem gadu. Viena lieta ir vadīt elektrību tā, kā to dara metāli. Citi ir siltuma vadītspēja un izturība un stingrība. Kauli ir ļoti iespaidīgi, un arī zobi. Bet tie nav tērauds, nemaz nerunājot par to, ko nanocaurules var panākt ar izturību un vadītspēju. Tātad iespēja paņemt oglekļa nanocauruli un nogādāt to molekulārās bioloģijas sfērā — neatkarīgi no tā, vai tā ir izšķīdusi un ir viens no dalībniekiem, vai kā zonde, vai kā daļa no implanta, kā daļa no jaunas membrānas, tas tiešām ir celt galdā kaut ko pavisam jaunu bioloģijā. Gandrīz sveša lieta.

TR: Sveša lieta, jo…

SMALLEY: Jo tas vada elektrību. Tas rada tādas īpašības, kuras jūs nevarat iegūt no citām organiskajām molekulām. Un tas joprojām ir ogleklis, tāpēc tajā ir organiskā ķīmija. Šeit ir objekts, kuram ir izcili aspekti, kas mums ir vissvarīgākie neorganiskajā pasaulē: cietība, stingrība, lieliska izturība, siltuma un elektriskā vadītspēja. Lietas, ko jūs vienkārši nevarat izdarīt ar kauliem un koku. Bet tas ir izgatavots no oglekļa. Tas ir kaut kas tāds, kas spēlē spēli tādā pašā pilnības līmenī kā molekulas un dzīvība.

Bioloģiskās sistēmās ir elektrība, bet tas ir saistīts ar jonu pārvietošanos pa membrānām. Nervi strādā ar elektrisko vadīšanu; elektriskajiem zušiem noteikti ir elektrība. Bet tāda elektrība atšķiras no tās, kas iet pa vadiem un mājām, skraida ap datoriem, liek darboties radioaparātiem. Tā nav tāda elektrība, kas ir saistīta ar elektroniem, kas saskaņoti pārvietojas lielos attālumos ar nelieliem zudumiem. Tā ir metālu, neorganisko savienojumu īpašība.

TR: Un tagad nanocaurules varētu nodot šāda veida elektroenerģiju bioloģiskajām sistēmām?

SMALLEY: Jā. Viņi piedāvā molekulārajai bioloģijai, lietām, kas šūnā naktī satriecas, jaunu rotaļlietu, ar ko spēlēties, kaut ko, kas vada elektrību.

TR: Kādas būs jaunās rotaļlietas?

SMALLEY: Sekojiet līdzi nākamajai tūkstošgadei, un mēs to redzēsim. Es varētu minēt dažus piemērus, bet tie drīzāk šķitīs gājēji un ad hoc. Kamēr nepievienojat kaut ko līdzīgu šim maisījumam, neticami dzīvo šūnu aparāti nevarēs izveidot kaut ko tādu, kas var vadīt elektrību ar metālu efektivitāti. Šeit mums ir [organiskā] molekula, kas to spēj. Es neticu, ka kāds ir pietiekami spilgts, lai paredzētu tā plašās sekas. Bet Kungs zina, cik gadu paies, pirms nanocaurules kļūs par dzīvu šūnu daļu. Pirms tam mēs varam izmantot nanocaurules kā zondes šūnās, kā zondes, lai noteiktu molekulu struktūru, lai secinātu DNS. Šie ir brīnišķīgi jauni vadi, lai to izdarītu.

TR: Pie kādiem projektiem jūs un jūsu grupa strādājat šobrīd?

SMALLEY: Galvenā uzmanība tiek pievērsta nanocauruļu izgatavošanai. Tas ir tas, ko šis uzņēmums sākotnēji paredz, ieslēdzot tapu, lai pētnieki visā pasaulē varētu piekļūt visspilgtākās kvalitātes caurulēm, kuras mēs, iespējams, varam izgatavot lielos daudzumos par zemām izmaksām. Mēs vēlamies padarīt nanocaurules pieejamas par pietiekami zemu cenu, lai ļautu jūsu iztēlei lidot. Šīs caurules ir trīs veidu: metāli [izcili elektriskie vadītāji] un divu veidu pusvadītāji. Es gribu tos ražot ar pietiekami augstu efektivitāti, lai es varētu piegādāt kilogramu konkrētas caurules.

BĒRNI : Tātad jūs vēlaties padarīt nanocaurules plašāk pieejamas. Citas grupas aplūko nanocaurules stingri no pielietojuma viedokļa. Kādas ir interesantas lietojumprogrammas, ar kurām viņi strādā?

SMALLEY: Šķiet, ka tuvākajā laikā viena lietojumprogramma būs [plakanā paneļa] displejos. Vairākiem uzņēmumiem jau ir displeju prototipi, kuros izmanto nanocaurules. Es nebrīnīšos, ja dažu gadu laikā tirgū ieraudzīsiet displejus, kuros izmantotas nanocaurules.

Vēl viena joma, kas būs ātra, ir kā piedevas inženiertehniskajā plastmasā [izmanto strukturālās vai augsto tehnoloģiju lietojumos, piemēram, datoru korpusos]. Jūs varat izraisīt antistatisku darbību pat ļoti, ļoti zemā nanocauruļu līmenī un EMI [elektromagnētiskie traucējumi: šādu ekranējumu izmanto, lai aizsargātu klēpjdatorus un citu portatīvo elektroniku] ļoti mērenā līmenī. Atšķirībā no visa cita, ko pievienojat polimēriem, lai padarītu tos antistatiskus vai EMI ekranēšanai, tas, iespējams, palielinās inženiertehnisko plastmasu stingrību un izturību. Turklāt es ceru, ka dažu gadu laikā jūs atradīsit komerciāli pieejamus nanocauruļu uzgaļus atomu spēka mikroskopa zondēm. Es ceru, ka izmantošana nanotehnoloģiju jomā kopumā attīstīsies tuvāko piecu gadu laikā.

Mēs vēlētos redzēt, ka bizness attīstās tā, lai būtu ekonomiski stimuli veidot lielu [ražošanas] procesu un samazināt cenu. Šobrīd nanocauruļu izmaksas ir aptuveni 500 USD par gramu. Aprēķiniet skaitļus. Tas ir gandrīz 230 000 USD par mārciņu. Ar laiku šīs lietas tiks izgatavotas kā lielapjoma prece, kas būs tuvāk 10 USD par mārciņu vai pat zem tās. Bet jums būs jāveido rūpnīca, un tirgum ir jābūt tur. Uzņēmējdarbības attīstības ātrums ir ļoti atkarīgs no šiem agrīnajiem tirgiem.

TR: Cerams, ka, saņemot vairāk un labākus materiālus, lietojumprogrammas tiks atvērtas?

SMALLEY: Pareizi. Un šis nākamais gads būs īsts ūdensšķirtne, jo mūsu process pētnieku aprindās izplatīs vismaz 10 kilogramus. Jebkuras kvalitātes vienas sienas nanocauruļu kopējais ražošanas apjoms līdz šim, iespējams, ir bijis mazāks par vienu kilogramu.

TR: Protams, neviens no šiem īstermiņa lietojumiem patiešām nepilda milzīgo nanocauruļu solījumu, vai ne? Piemēram, darbojas kā elektriskais vadītājs bioloģiskajā vidē?

SMALLEY: Un tas, par ko es runāju iepriekš, bija tikai mitrā/sausā saskarnē. Pēc tam jūs atgriezīsities sausajā pusē. Nanocauruļu pasaulē ir vājprātīga nomale, par kuru mēs vēl neesam runājuši. Nākamā gada laikā manā laboratorijā, un man ir aizdomas, ka daudzās visā pasaulē būs liels stimuls, lai izstrādātu līdzekļus nepārtrauktu šķiedru — makroskopisku šķiedru — nanocauruļu vērpšanai ar augstu orientācijas pakāpi [nanocaurules būtu izlīdzinātas kā termiski neapstrādātas. spageti kastītē]. Es domāju, ka tas būs veiksmīgs, un tas būs kaut kas īpašs.

Vienvirziena nanocaurules ir visspēcīgākais, ko jūs jebkad radīsit Visumā, un tie ir lieliski elektrības vadītāji; otrā [perpendikulāra] virzienā tie ir disketes, un elektriskā vadītspēja ir diezgan slikta. Tātad materiālos, kuros vēlaties vadīt elektrisko vadību, jums ir svarīgi, cik labi nanocaurules ir izlīdzinātas. Es uzskatu, ka būs iespējams izveidot nepārtrauktas nanocauruļu šķiedras efektīvā vērpšanas procesā, kurā visas caurules būs saskaņotas. Es to nesauktu par vājprātīgo bārkstiņu; Es domāju, ka tas notiks. Bet tagad parunāsim par patiešām vājprātīgo galējību. Kā būtu, ja šīs savērptās šķiedras būtu nevis mikrometru, bet kilometru garas?

TR: Teorētiski jūs varētu izgatavot nanocauruļu šķiedras kilometru garumā?

SMALLEY: Teorētiski jūs varat tos padarīt Alpha Centauri. Kāds būtu garās šķiedras stiprums? Jums būtu visspēcīgākais, kas jebkad radīts Visumā. Vai mēs kādreiz to varam izdarīt? Un kas no tā būtu labs? Ja jūs varētu izgatavot to lēti un nepārtrauktu garumu, jūs varētu izveidot garāko piekares tiltu, par kuru jebkad esat dzirdējis, liftus kosmosā. Bet kabeļi būtu arī lieliski elektrības vadītāji. Tas ir loģisks aizvietotājs visiem elektropārvades kabeļiem pasaulē. Tas ir vājprātīgs, bet es to varu teikt, jo esmu tā aizstāvis.

TR: Kā jūs zināt, arvien vairāk tiek mēģināts izmantot organiskās molekulas kā sīkus slēdžus nanoelektroniskajās ierīcēs ( skat Molekulārā skaitļošana , TR 2000. gada maijs/jūnijs ). Kādu lomu jūs domājat, ka nanocaurules spēlēs molekulārajā elektronikā?

SMALLEY: Šķiet, ka ilgtermiņā viņiem ir jārēķinās, jo tie ir nano un vada elektrību. Neatkarīgi no tā, vai nākamajā desmitgadē viņi izdomās nanoelektronikas ierīces, es domāju, ka neviens nav pietiekami gudrs, lai zinātu. Patiesībā neviens nav pietiekami gudrs, lai zinātu, vai nākamajā desmitgadē būs kāds nanoelektroniskais aprīkojums. Taču lielākā daļa cilvēku piekrīt, ka, ja nanoelektronikā būtu jāizvēlas elektriskais vadītājs, tas galu galā būs nanocaurule. Mums vienkārši jāseko līdzi, lai redzētu, cik ātri tas notiek.

TR: Pagaidām pat tik vienkārša lieta kā nanocaurules ievietošana vajadzīgajā vietā joprojām ir izaicinājums, vai ne?

SMALLEY: Mēs patiešām esam bērni, pat ne bērni, mazuļi, lai saprastu, kā darbojas nanocaurules.

TR: Tomēr es domāju, cik ātri nanotehnoloģiju joma ir mainījusies. Kad es jūs intervēju pirms dažiem gadiem, mēs daudz runājām par ažiotāžu ap nanotehnoloģiju. Tagad, kad iesaistās arvien vairāk nopietnu zinātnieku, šķiet, ka tas ir pārgājis tālāk.

SMALLEY: Tas bija galvenais faktors, iesaistoties nopietniem zinātniekiem, kas ir tālu no nanobotiem [nanomēroga roboti ir iekļauti daudzās spekulatīvajās nanotehnoloģiju vīzijās]. Mēs vēl neesam pabeiguši laukuma de-nanobotēšanas uzdevumu. Taču galvenais ir tas, ka nanotehnoloģija ir tik svarīga, ka mēs nevēlamies, lai tā tiktu saistīta tikai ar nanobotiem. Tas, vai tie kādreiz var notikt, ir cits jautājums, taču nanotehnoloģijai ir tik daudz plašāka realitāte, un tā ir daudz interesantāka.

paslēpties